Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
Озон поглощает излучение в средней части ультрафиолето- вой области спектра, защищая нас от того вредного излучения, которое осталось не поглощенным молекулами кислорода в бо- лее высоких слоях атмосферы. После поглощения излучения мо- лекула озона распадается на атом кислорода и молекулу кисло- рода, но атом кислорода обычно повторно объединяется с другой молекулой кислорода, создавая при этом новую молекулу озона. Углекислый газ часто упоминается как один из парниковых газов. Парниковые газы пропускают электромагнитное излуче- ние в видимой области спектра, но интенсивно поглощают из- лучение в инфракрасной области, что, во-первых, приводит к некоторому повышению температуры атмосферы, а во-вторых, к возвращению части поглощенного излучения обратно к по- верхности Земли. Водяной пар – атмосферный газ, который сильно поглощает излучение в инфракрасной области электромагнитного спектра (между 1,0 и 22,0 мкм). Наиболее высокая концентрация водяного пара наблюдается в нижних слоях атмосферы, причем эта концен- трация сильно меняется от места к месту и от одного времени го- да к другому. Например, воздушная масса над пустыней содержит очень небольшое количество водяного пара, в то время как в тро- пиках наблюдаются достаточно высокие его концентрации. Все упомянутые атмосферные газы поглощают электромаг- нитную энергию в определенных областях спектра, и это опре- деляет, какие части электромагнитного спектра мы можем ис- пользовать для целей дистанционного зондирования, а какие нет. На рис. 1.4 представлен спектр пропускания атмосферы в зависимости от длины волны. Например, атмосфера почти непрозрачна к электромагнит- ному излучению в большей части инфракрасной области спек- тра. Те области, в которых поглощение не столь существенно, называются «окнами прозрачности». Большинство инструмен- тов дистанционного зондирования принимают излучение в од- ном или в нескольких окнах прозрачности. Такие инструменты ориентированы на исследование подстилающей поверхности. 14 Рис. 1.4. Спектр пропускания атмосферы [Оптико-электронные системы ..., 2002] В инфракрасном диапазоне спектра пропускания можно выделить два «окна прозрачности», где коэффициент пропуска- ния близок к 90 % (3,4–4,2 мкм) или 60–80 % (8,0–12,5 мкм). Именно в этих спектральных зонах расположены рабочие кана- лы инфракрасных радиометров. Диапазон 3,4–4,2 мкм имеет ог- раниченную применимость по сравнению с другими диапазона- ми (используется в основном в ночное время), так как в этой спектральной зоне большое влияние на информационный сиг- нал оказывает отраженное солнечное излучение. Причем даже при использовании «окон прозрачности» ат- мосфера значительно трансформирует инфракрасное излучение подстилающей поверхности. Важным является и то обстоятельство, что различные модели атмосферы обладают различным значением пропус- 15 кания (табл. 1.1), что приходится иметь в виду при учете ат- мосферного влияния. Таблица 1.1 Пропускание атмосферы в спектральном диапазоне 10,2–12,3 мкм в безоблачных условиях Модель атмосферы Пропускание, % Тропическая 50,3 Летняя средних широт 65,8 Зимняя средних широт 90,2 Летняя субарктическая 76,9 Зимняя субарктическая 94,0 Рассеивание излучения. Причиной рассеивания является изменение направления распространения электромагнитных волн из-за их взаимодействия с молекулами газов и присутст- вующих в атмосфере частиц. Величина рассеивания зависит от длины волны электромагнитного излучения, количества частиц и концентрации атмосферных газов, а также от пути распро- странения через атмосферу. В диапазоне видимого света доля рассеянного излучения при регистрации сенсором составляет от 100 при сплошной облачности до 5 % при абсолютно ясном небе. Выделяют три типа рассеивания в атмосфере: рассеивание Релея, рассеивание Ми и неселективное рассеивание. Рассеивание Релея. Преобладает при взаимодействии элек- тромагнитного излучения с частицами, размер которых меньше длины волны падающего света. Примеры таких объектов: час- тицы пыли, молекулы азота (N 2 ) и кислорода (О 2 ). Величина рассеивания Релея обратно пропорциональна длине волны (чем меньше длина волны, тем сильнее рассеивание). При дистанци- онном зондировании с помощью спутников основным видом рассеивания является рассеивания Релея. В отсутствие рассеи- вания небо было бы черным. В дневное время солнечные лучи проходят через атмосферу по кратчайшему пути. Благодаря рас- сеиванию Релея человек видит синее небо, поскольку синий свет обладает наименьшей длиной волны, которую может на- блюдать человеческий глаз. На закате и восходе солнечные лучи проходят более длинный путь через атмосферу. Коротковолно- вая часть излучения успевает рассеяться, и поверхности Земли достигают только волны относительно большой длины. В ре- 16 зультате небо окрашивается в оранжевый или красный цвет. Вызванное им искажение спектральных характеристик отра- женного света по сравнению с измерениями вблизи земной по- верхности приводит к тому, что интенсивность коротковолново- го излучения оказывается завышенной. Рассеивание Релея является причиной снижения контраст- ности снимков. Оно отрицательно влияет на возможность де- шифрирования цифровых снимков, полученных с помощью сканирующих систем спутников, а также ограничивает возмож- ности классификации объектов. Рассеивание Ми. Возникает, если длина волны падающего излучения сравнима с размерами частиц. Наиболее важной при- чиной рассеивания Ми являются аэрозоли, представляющие со- бой смесь газов, паров воды и частиц пыли. Как правило, рас- сеивание Ми возникает в нижних слоях атмосферы, где крупные частицы встречаются чаще, и доминирует в условиях сплошной облачности. Рассеивание проявляется в нескольких спектраль- ных диапазонах: от ближнего ультрафиолетового диапазона до ближнего инфракрасного диапазона. Неселективное рассеивание. Возникает при условии, что размер частиц существенно больше длины волны излучения. К таким частицам относятся капли воды и крупные частицы пыли. Неселективное рассеивание не зависит от длины волны и наибо- лее отчетливо проявляется при наличии облаков, содержащих водные капли. Поскольку излучение с разной длиной волны рассеивается одинаково, облака выглядят белыми. В условиях сплошной облачности излучение в оптическом диапазоне не проникает через атмосферу. Влияние облачности. Облачность является наибольшей помехой при съемке в оптическом диапазоне. Как правило, в каждый момент времени она закрывает более 50 % поверхно- сти земного шара. При планировании съемок важно распола- гать данными об условиях облачности. Для этого составляют карты, характеризующие глобальное распределение зон ус- тойчивой облачности и дающие оценку условий съемки. Кро- ме того, по статистическим исследованиям известно, что об- лачность обычно сохраняется над каждой точкой земной по- верхности на протяжении не более 3–5 дней. 17 1.3. Взаимодействие излучения с поверхностью Земли Различают три основных типа взаимодействия падающего электромагнитного излучения с объектами на поверхность Зем- ли: отражение, поглощение и пропускание. Соотношение, связы- вающее между собой три компонента излучения после его взаи- модействия с поверхностью, можно получить из закона сохране- ния энергии. Учитывая, что все компоненты являются функция- ми длины волны λ, запишем это соотношение в следующем виде: I O A T R R R R , (1.2) где I R – энергия падающего излучения, O R – энергия от- раженного излучения, A R – поглощенная энергия, T R – энергия излучения, прошедшего через вещество. Свойства отраженного, поглощенного и пропущенного из- лучения отличаются для разных объектов на поверхности Земли и зависят от вещества объекта и физических условий, в которых он находится. Эти различия и позволяют идентифицировать объекты на снимке. Даже у объектов одного типа соотношение между поглощенным, отраженным и пропущенным излучением зависит от длины волны. В результате два объекта могут ока- заться неразличимыми в одном спектральном диапазоне, но хо- рошо различимыми в другом. В видимой части спектра эти раз- личия воспринимаются как изменения цвета. Объекты кажутся синими, когда они отражают большую часть излучения в синей части спектра, и зелеными, когда максимум их отражательной способности приходится на зеленый спектральный диапазон. То же самое относится и к любому другому цвету. Амплитудные вариации спектра отраженного излучения используют для де- шифрирования различных объектов на снимке. Поскольку множество систем дистанционного зондирова- ния работает в тех спектральных диапазонах, где доминирует отраженное излучение, отражательные свойства различных объ- ектов играют очень важную роль при их идентификации. Также важно учитывать геометрические характеристики отражения, которые в основном зависят от неровности поверх- ности. На плоской поверхности наблюдается зеркальное отра- 18 жение, при котором угол отражения равен углу падения. На не- ровной поверхности возникает диффузное (или ламбертово) от- ражение, при котором падающее излучение отражается равно- мерно во всех направлениях. В реальной ситуации отражение носит смешанный характер. На рис. 1.5 представлены различные виды отражения. Кате- гория поверхности зависит от отношения размеров ее неровно- стей к длине волны падающего излучения. Так, например, в ви- димом диапазоне песчаный пляж является неровной поверхно- стью, но в более длинноволновой части электромагнитного спектра он ведет себя как плоская поверхность. Иными словами, если длина волны падающего излучения много меньше вариа- ций высоты поверхности или размеров слагающих ее частиц, то отражение будет диффузным. А Б Рис. 1.5. Зеркальное (А) и диффузное (Б) отражение В отличие от зеркального отражения спектр излучения, об- разованного при диффузном отражении, содержит информацию о цвете поверхности. Именно поэтому измерение диффузных отражательных характеристик различных территорий является важной составляющей дистанционного зондирования. Отражательные свойства земной поверхности можно оха- рактеризовать, измерив относительную долю энергии отражен- ного излучения как функцию длины волны. Эта функция назы- вается спектральной отражательной способностью и опреде- ляется как отношение энергии отраженного излучения O R с заданной длинной волны λ к энергии падающего излучения I R с той же длиной волны, выраженное в процентах: 100% O I R R (1.3) 19 Различные элементы земной поверхности – растительность, почвы, вода – по-разному отражают падающее на них излучение в разных зонах электромагнитного спектра. Кривой спектраль- ной отражательной способности называется график зависимо- сти спектральной отражательной способности объекта от длины волны. Вид этой кривой позволяет изучить спектральные харак- теристики объекта и имеет большое значение при выборе спек- трального диапазона, в котором будет проводиться сбор данных дистанционного зондирования для определенной исследова- тельской задачи. Отражательную способность можно измерить в лабораторных или полевых условиях с помощью спектрометра. Ход кривых спектральной отражательной способности ме- няется в зависимости от состояния объекта. Например, разли- чаются кривые сухой и влажной почвы, водоемов с чистой и за- грязненной водой, лесов в разное время года. На рис. 1.6 приве- дены примеры обобщенных спектральных кривых для типичных объектов Земли. Рис. 1.6. Кривые спектральной отражательной способности различных природных объектов (пояснения см. в табл. 1.2) 20 Таблица 1.2 Пояснения к рис. 1.6 Класс А Растительный покров А-1 Кривая расположена очень низко, слабый максимум в видимой и незначительный подъем в ближней ИК-области спектра, соот- ветствует хвойным лесным породам в зимний период А-2 Кривая имеет четкий максимум в видимой области спектра, рас- положена выше предыдущей кривой, заметно выше поднимается в ближней ИК-области спектра, соответствует хвойным лесным породам в летний период А-3 Кривая имеет резко выраженный максимум в желто-зеленом уча- стке и очень высокий подъем в ближней ИК-области спектра, со- ответствует лиственным лесам в летний период и травяным покровам с густой и сочной растительностью А-4 Кривая имеет подъем во всем видимом диапазоне, высокий подъ- ем в ближней ИК-области спектра, соответствует лиственным лесам в осенний период, созревшим (пожелтевшим) полевым культурам Класс Б Почвы и обнажения Б-1 Кривая равномерно поднимается в направлении ближнего ИК- участка спектра, соответствует черноземным почвам Б-2 Кривая равномерно поднимается в видимой области спектра и имеет более крутой подъем в ближней ИК-области спектра, рас- положена выше кривой первого типа, соответствует дерново- подзолистым почвам Б-З Кривая имеет более крутой подъем и выпуклость на участке спектра 0,55–0,65 мкм, расположена выше кривых первого и вто- рого типов, соответствует пескам, обнажениям пустыни, не- которым горным породам Б-4 Кривая выпуклая с крутым подъемом, расположена значительно выше всех трех предыдущих типов, соответствует известняку, глине и другим светлым объектам Класс В Водные поверхности н снежный покров В-1 Нейтральная высоко расположенная кривая, соответствует сне- гу, покрытому ледяной коркой В-2 Кривая имеет постепенное и равномерное падение к ближней ИK- области спектра, расположена высоко, соответствует свежевы- павшему снегу В-З Кривая имеет сильное падение в видимой и очень пологое пони- жение в ближней ИК-области спектра, соответствует чистой воде В-4 Кривая расположена существенно выше предыдущей кривой и соответствует мутной воде 21 Растительный покров. Кривая спектральной отражатель- ной способности зеленой растительности имеет весьма характер- ный вид, ее поведение сильно изменяется в зависимости от длины волны (см. рис. 1.6). Из рисунка видно, что отражательная спо- собность растительного покрова мала в синем и красном диапазо- нах видимого спектра. Причина этого заключается в существова- нии окна поглощения, связанного с присутствием в зеленой лист- ве хлорофилла, который поглощает большую часть излучения. Минимум отражательной способности приходится на длину вол- ны 0,45 мкм. При увеличении экологической нагрузки содержание хлорофилла в растительности снижается, а отражательная способ- ность увеличивается, особенно в красном диапазоне, из-за чего растительность приобретает желтый или хлоротичный оттенок. Важную роль играют и другие пигменты, в частности каро- тин, ксантофил (желтый пигмент) и антоциан (красный пиг- мент). Каротин и ксантофил часто встречаются в листьях, одна- ко их окна поглощения находятся в синем диапазоне (0,45 мкм), где доминирующим является влияние хлорофилла, поэтому влияние этих пигментов проявляется только в его отсутствие. Некоторые виды деревьев вырабатывают в больших количест- вах антоциан и из-за этого имеют красный цвет. При внима- тельном изучении влияния различных пигментов на отража- тельную способность растительного покрова оказывается, что в отличие от видимого диапазона, в котором наблюдаются значи- тельные различия, в близком и среднем инфракрасном диапазо- нах этих различий почти не существует. В близкой инфракрасной части спектра наблюдается суще- ственное увеличение отражательной способности при переходе через пороговое значение 0,7 мкм из видимой в инфракрасную часть спектра. В этом диапазоне зеленый растительный покров характеризуется высокой отражательной способностью, высо- кой прозрачностью и низким поглощением. Значения коэффи- циентов отражения и прозрачности достигают величины поряд- ка 45–50 %, а доля поглощенного излучения составляет всего около 5 %. Важную роль играет также структура листвы. Разница в отражательной способности одноярусной и мно- гоярусной древесной растительности может достигать 85 %. Причина этого проста: дополнительное излучение, прошедшее через первый ярус, отражается от второго, а затем частично еще 22 раз проходит через первый ярус. Этот эффект особенно заметен при сравнении отражательной способности в центре исследуе- мого массива и на его краю, где нет многоярусности. В среднем инфракрасном диапазоне отчетливо заметен эф- фект, связанный с окнами поглощения воды, центры которых соответствуют длинам волн 1,4; 1,9 и 2,7 мкм. Существует еще два окна поглощения воды вблизи 0,9 и 1,1 мкм, но эти окна очень узкие и практически не влияют на кривую спектральной отражательной способности. Пики спектральной отражательной способности в среднем инфракрасном диапазоне приходятся на 1,6 и 2,2 мкм. Отмечают также сильное влияние влажности: чем меньше влажность лист- вы, тем выше ее отражательная способность. Из всего вышеописанного можно выделить следующие наиболее важные спектральные характеристики зеленого расти- тельного покрова: отчетливые различия отражательной способности в ви- димом, ближнем и среднем инфракрасных диапазонах; доминирующая роль пигментации листвы в видимой части спектра; доминирующая роль структуры растительности в ближ- нем инфракрасном диапазоне, где половина излучения пропус- кается, а половина отражается; доминирующая роль влажности растительного покрова в среднем инфракрасном диапазоне, где большая часть излуче- ния поглощается листвой. Почвы. Кривые спектральной отражательной способности большинства почв выглядят весьма просто (рис. 1.6). Наиболее заметным свойством излучения, отраженного от сухих почв, яв- ляется, как правило, возрастание значений коэффициента отра- жения с увеличением длины волны, особенно в видимом и близ- ком инфракрасном диапазонах. Взаимодействие излучения с почвой сводится к тому, что падающее излучение либо отража- ется, либо поглощается. В то же время почва состоит из пород с разными физическими и химическими свойствами, которые мо- гут влиять на характеристики отражения и поглощения. Хотя формы кривых спектральной отражательной способности почв схожи между собой, амплитудные характеристики этих кривых могут заметно различаться в зависимости от свойств почвы. На 23 спектральную отражательную способность почвенного покрова могут оказать заметное влияние такие факторы, как влажность, количество органических веществ, окиси железа, относительная доля песчаников и отложений, а также неровность поверхности. Первая характеристика почвы, требующая изучения, – это ее гранулометрический состав, который определяется относи- тельным содержанием песка, отложений и глины. Характерный диаметр частиц глины – 0,002 мм, отложений – от 0,002 до 0,005 мм, песка – от 0,05 до 2,0 мм. В силу такого распределения глина содержит больше частиц, чем песок. При наличии влаги каждая частица почвы покрыта тонким слоем воды, который занимает некоторое пространство между отдельными частицами. Хотя этот слой очень тонкий, миллионы частиц могут удерживать ог- ромное количество воды. Именно поэтому существует связь между количеством частиц в почве и ее влажностью. Отражательная способность сухих песчаников остается почти постоянной, в то время как кривые спектральной отража- тельной способности влажных песчаников имеют заметные про- валы при длинах волн 1,4; 1,9 и 2,3 мкм. В видимой части спек- тра также наблюдается заметное снижение отражательной спо- собности влажных почв по сравнению с сухими. Таким образом, спектральная яркость почв во многом зависит от их состава, оп- ределяющего как размер слагающих почву частиц, так и воз- можный уровень содержания влаги. При прочих равных услови- ях с уменьшением размера частиц поверхность почвы становит- ся более гладкой и доля отраженного излучения возрастает. Бы- ло показано, что при увеличении размера частиц с 0,22 до 2,66 мм коэффициент поглощения увеличивается на 14 %. Еще одним важным свойством почвы, которое влияет на ее отражательную способность, является содержание органи- ческих веществ, которое характеризует количество азота в почве. Показано, что для большинства климатических зон от- носительное содержание органических веществ в почве колеб- лется от 0,5 до 5 %. При 5 %-ном содержании органических веществ почва обычно имеет темно-коричневый или черный цвет, а при меньшем содержании – светло-коричневый или светло-серый. При этом в видимом диапазоне спектра зависи- мость отражательной способности почвы от содержания орга- нических веществ является нелинейной. 24 Замечено, что связь между цветом почвы и содержанием в ней органических веществ зависит от климатической зоны. При высокой температуре почвы с низким содержанием влаги (крупные частицы) содержат больше органических веществ, чем такие же почвы в более холодных зонах. Таким образом, при оценке зависимости спектральной отражательной способности от количества органических веществ необходимо учитывать еще и климатический пояс, и условия дренирования. Из приведенного можно сделать следующие выводы о спек- тральных характеристиках почв: увеличение влажности почвы ведет к снижению ее отра- жательной способности во всем спектральном диапазоне отра- женного излучения; отражательная способность грунта увеличивается с уменьшением размера слагающих его частиц; уменьшение неровности поверхности ведет к увеличе- нию ее отражательной способности; отражательная способность почвы уменьшается с увели- чением содержания в ней органических веществ; увеличение содержания оксида железа ведет к снижению отражательной способности почв. |